Tài liệu thực tập thiết kế điện từ ứng dụng

TRUONG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

TÀI LIỆU
THUC TAP THIET KE DIEN TU UNG DUNG

Biên soạn: TS. Nguyễn Văn Hào
Bộ môn: Điện tử - Viễn thông

Tài liệu lưu hành nội bộ


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 1
PHAN TICH CHU DE THIET KE: MACH DA HAI DOI VA UNG DUNG
1. Mục đích - Yêu cầu
- Giúp sinh viên vận dụng kiến thức đã học, nâng cao kỹ năng trong quá trình xây dựng

hệ mạch điện tử ứng dụng, phân tích thiết kế thơng qua so đồ khối chức năng, ...
- Sinh viên nắm vững kiến thức về nguyên lý các linh kiện và mạch điện tử cho các ứng
dụng cơ bản trong thực tiễn, ....

2. Nội dung thực tập

2.1. Phân tích hệ thống điều khiến bật/tắt tải khi có/khơng có vật cản
Khối cảm biến

Khối nguồn DC

(VDC = 5 V)

Khối so sánh
(tạo xung điều khiển)

Khối tải

(động cơ DC, đèn báo)

Khối điều khiển

Khối cơng suất

Hình 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ/đèn báo khi có vật cản

Chức năng các khối:
- Khối cảm biến (thu — phát hồng ngoại): phát hiện vật cản và tạo ra các mức điện áp
tương ứng với các trường hợp có hoặc khơng có vật cản.

- Khối so sánh điện áp: so sánh tín hiệu điện áp từ khối cảm biến với mức điện áp chuẩn
để tạo xung điều khiển khi có vật cản.

- Khối điều khiển: nhận tín hiệu kích từ khối so sánh và tạo ra tín hiệu điều khiển trong
khoảng thời gian được thiết lập trước (kiểu mạch đa hài đợi).
- Khối cơng suất: nhận tín hiệu điều khiển và cung cấp công suất cho khối tải thông qua
các chuyền mạch công suất hoặc các Rơle điện từ.


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

- Khối nguồn DC: cung cấp nguồn DC cho các khối chức năng (ngoại trừ khối tải).
2.2. Các mơ hình ứng dụng điển hình

- Hệ thống rửa tay (labo) tự động.
- Hệ thống bật/tắt đèn/chuông cảnh báo/báo động.
- Hệ thống bật/tắt đèn chiếu sáng cầu thang bộ trong các tòa nhà.


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 2
PHÂN TÍCH CHỦ ĐÈ THIẾT KÉ: MẠCH DEM SAN PHAM
1. Mục đích - Yêu cầu
- Giúp sinh viên vận dụng kiến thức đã học, nâng cao kỹ năng trong quá trình xây dựng

hệ mạch điện tử ứng dụng, phân tích thiết kế thông qua so đồ khối chức năng, ...
- Sinh viên nắm vững kiến thức về nguyên lý các linh kiện và mạch điện tử cho các ứng
dụng cơ bản trong thực tiễn, ....

2. Nội dung thực tập
2.1. Phân tích hệ thống đếm sản phẩm tự động

relent)

Khối nguồn DC

(VDC = 5 V)

Khối so sánh
(tạo xung đếm)

Khối đếm thập phân
(00-99)

Khối hiển thị số đếm

Khối giải mã

Hình I. Sơ đồ hệ thống đếm sản phẩm tự động từ 00 đến 99

Chức năng các khối:
- Khối cảm biến (thu — phát hồng ngoại): phát hiện sản phẩm và tạo ra các mức điện áp
tương ứng với các trường hợp có hoặc khơng có sản phẩm vượt qua.

- Khối tạo xung đếm: so sánh tín hiệu điện áp từ khối cảm biến với mức điện áp chuẩn
để tạo ra dãy tín hiệu xung đếm.

- Khối đếm thập phân: đếm tín hiệu xung đếm (từ khối tạo xung đếm) theo hệ đếm thập
phân BCD (2 số thập phân), đếm thuận kiểu đồng bộ hoặc không đồng bộ.

- Khối giải mã: nhận và giải mã tín hiệu số đếm nhị phân kiểu BCD từ khối đếm, đồng
thời đưa ra tín hiệu điều khiến hiển thị tương ứng cho các LED 7 đoạn (7 - Segs LED).


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

- Khối nguồn DC: cung cấp nguồn DC 5 V cho các khối chức năng trong hệ thống.
2.2. Các mơ hình ứng dụng điển hình

- Hệ thống đếm sản phẩm tự động theo dây chuyền sản xuất công nghiệp.

- Hệ thông đếm số lượng người ra/vào trong các tòa nhà.


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 3
TÍNH TỐN, LỰA CHỌN LINH KIỆN: MẠCH ĐA HÀI VÀ ỨNG DỤNG
1. Mục đích - Yêu cầu
- Giúp sinh viên vận dụng được kiến thức, kỹ năng đã học cho quá trình tính tốn và

lựa chọn các linh kiện phù hợp cho thiết kế hệ thống mạch điện tử ứng dụng
- Sinh viên nắm vững kiến thức, kỹ năng về nguyên lý các linh kiện và mạch điện tử
cho các ứng dụng cơ bản trong thực tiễn.
2. Nội dung thực tập
2.1. Các lưu ý trong tính tốn và lựa chọn linh kiện
- Lựa chọn linh kiện và xác định các đặc tính về dòng điện và điện áp của khối cảm

biến đầu vào, ...
- Xác định các mức điện áp tại đầu ra của khối cảm biến để tính tốn, thiết kế và chọn

giá trị điện áp chuẩn của khối so sánh và các khối chức năng tiếp theo, ...
- Lựa chọn các giá trị của linh kiện thụ động đã tính tốn cũng như các linh kiện tích
cực và IC chức năng phải đảm bảo yêu cầu và phù hợp với thực tiễn.
2.2. Tính tốn, lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch ngun lý
T A671

D3

ba

Ty

+
+tÌn
(1.5-2) Ohm

U 7805

our

a

4

1000uF/25V

+5V0-

,
270

Dt

4.7UFI25V
ais

“

RI

D2

aoe

3 Ni

uta

u2"|_“|_NESS5

8 sce LÍ
THR 6

+8V
aoe

GNI

(9-12)V
AC2

—— —†

ke

a

vrs.

Ro

10K

R7

270

Rear

als

D3

D4,

t—JRELAY5 V_DC
—
ap
Ti

FLs

AcIDG

TxC2
10uF/1ðV

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ/đèn báo khi có vật cản

LAMP.

Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

- Quá trình tính tốn dựa trên giả thuyết về dịng điện và các mức điện áp chuẩn từ khối
cảm biên đầu vào đên khôi so sánh, khôi điêu khiên, khôi công suat và tải.
- Kết quả tính tốn và lựa chọn linh kiện cho chủ đề thiết kế được đưa ra trong hình I.


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 4
TÍNH TỐN, LỰA CHỌN LINH KIỆN: MẠCH ĐÉM SẢN PHẢM
1. Mục đích - Yêu cầu
- Giúp sinh viên vận dụng được kiến thức, kỹ năng đã học cho q trình tính tốn và

lựa chọn các linh kiện phù hợp cho thiết kế hệ thống mạch điện tử ứng dụng
- Sinh viên nắm vững kiến thức, kỹ năng về nguyên lý các linh kiện và mạch điện tử
cho các ứng dụng cơ bản trong thực tiễn.
2. Nội dung thực tập
2.1. Các lưu ý trong tính tốn và lựa chọn linh kiện
- Lựa chọn linh kiện và xác định các đặc tính về dịng điện và điện áp của khối cảm

biến đầu vào, ...
- Xác định các mức điện áp tại đầu ra của khối cảm biến để tính tốn, thiết kế và chọn

giá trị điện áp chuẩn của khối so sánh và các khối chức năng tiếp theo, ...
- Lựa chọn các giá trị của linh kiện thụ động đã tính tốn cũng như các linh kiện tích

cực và IC chức năng phải đảm bảo yêu cầu và phù hợp với thực tiễn.
2.2. Tính tốn, lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch nguyờn lý

act

F

T A871

tu

(@-12)V
AC2

LJ]

D3

T+TèN

(15-2) Ohm

b2

+
aR
1000uF/25V

2

_our

â+sv
A
4.7uF/25V


+5VOR1

lu
D1

van 4
sl
ẹ
Ae

4

4

Ơ

h*
R2
Ti

4

U 7805

vee

50K

U1A
LM358.

1

CKE ỉ Q0
S ait
Q2

cc
RST
46T8
U28.
CKE

Q3

rst &

Em

Lễ

Q0

1

Q2

L1}

att

c _ Q3

Asi

3

ws 4

]

ojo Aa Ha
5
Si@s}4
a 1 |.
lec pels
D3
5 el
3lq@
s
rLE-EO P a
it
slhhã
šF +2
3
sẽ

6
0 Ohm
Tago
14% (270

D0
to:
2|02

U4s"]
go ãA
D0

1ịp: Si 5

@]02

D3

lac

L1
2

oth a

a
Ts

tsa

|g

eI

bi]:

—ri|:
9 Em
Fe ES
Co

‡lữ

ee

ates

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của hệ đếm sản phẩm từ 00 đến 99


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

- Quá trình tính tốn dựa trên giả thuyết về dịng điện và các mức điện áp chuẩn từ khối
cảm biến đầu vào đến khối tạo xung đếm, khối đếm, khối giải mã và hiển thị.
- Kết quả tính tốn và lựa chọn linh kiện cho chủ đề thiết kế được liệt kê theo bảng giá
trị và ký hiệu tương ứng.


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 5
THIET KE VA MO PHONG: MACH DA HAI VA UNG DUNG
1. Mục đích - Yêu cầu

- Giúp sinh viên vận dụng được kiến thức, kỹ năng đã học cho quá trình thiết kế mạch
nguyên lý và kiểm chứng bằng mô phỏng thông qua các công cụ hỗ try EDA (Proteus).

- Sinh viên đã năm vững kiến thức, kỹ năng về thiết kế mạch nguyên lý và kiểm chứng
bằng mô phỏng dựa trên các công cụ hỗ trợ EDA - Proteus (Học phần: Thực tập và thiết
kế điện tử cơ bản)
2. Nội dung thực tập
2.1. Thiết kế mạch nguyên lý
Dựa trên sơ đồ mạch nguyên lý đã thực hiện trong “Buổi 3°, thực hiện sơ đồ mạch

nguyên lý cho hệ thống điều khiển động cơ/đèn báo khi có vật cản trên cơng cụ Proteus
(sinh viên có thể thực hiện trước tại nhà):

- Khối cảm biến có thể được thay thế bằng mơ hình tín hiệu xung vng (f= 1 Hz) hoặc
nút bấm logic dé tạo mức logic “1° hoặc “0°.
- Lựa chọn và thiết lập giá trị cho các linh kiện và IC chức năng.

- Kết nối mạch theo đúng sơ đồ mạch nguyên lý.

2.2. Mô phỏng và đánh giá kết quả của hệ thống
- Kiểm tra cho đúng và chạy mô phỏng đề đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống điều
khiển động cơ/đèn báo khi có vật cản như sau:

+ Tại mức điện áp cao (mức logic 1) của tín hiệu vào (giá lập cho đầu ra của khối cảm
biến) tương ứng trường hợp khơng có vật cản: Đèn báo hoặc Rơle ở trạng thái ngắt.

+ Ngược lại, tại mức điện áp thấp (mức logic 0) của tín hiệu vào tương ứng trường hợp
có vật cản: Đèn báo hoặc Rơle ở trạng thái mở trong một khoảng thời gian nhất định, sau

đó hệ thống tự động trở về trạng thái ngắt ban đầu.
- Trường hợp hệ thống không hoạt đúng theo yêu cầu của chủ đề thiết kế:


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

+ Kiểm tra cho đúng các giá trị và mã linh kiện cũng như các IC chức năng.
+ Kiểm tra cho đúng các kết nối (dây dẫn) theo mạch nguyên lý.
+ Kiêm tra các mức tín hiệu từ đầu vào đên đâu ra đề sửa lỗi của mạch.

+ Tiếp tục thực hiện lại q trình mơ phỏng và đánh giá kết quả của hệ thống.

10


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 6
THIET KE VA MO PHONG: MACH DEM SAN PHAM
1. Mục đích - Yêu cầu

- Giúp sinh viên vận dụng được kiến thức, kỹ năng đã học cho quá trình thiết kế mạch
nguyên lý và kiểm chứng bằng mô phỏng thông qua các công cụ hỗ trợ EDA (Proteus).

- Sinh viên đã năm vững kiến thức, kỹ năng về thiết kế mạch nguyên lý và kiểm chứng
bằng mô phỏng dựa trên các công cụ hỗ trợ EDA - Proteus (Học phần: Thực tập và thiết
kế điện tử cơ bản)

2. Nội dung thực tập
2.1. Thiết kế mạch nguyên lý
Dựa trên sơ đồ mạch nguyên lý đã thực hiện trong “Budi 4’, thuc hién so đồ mạch

nguyên lý cho hệ thống đếm sản phẩm tự động trên cơng cụ Proteus (sinh viên có thể thực
hiện trước tại nhà):

- Khối cảm biến có thể được thay thế bằng mơ hình tín hiệu xung vng (f= 1 Hz) hoặc
nút bấm logic dé tạo mức logic ‘1’ hodc ‘0’.
- Lựa chon và thiết lập giá trị cho các linh kiện và IC chức năng.

- Kết nối mạch theo đúng sơ đồ mạch nguyên lý.

2.2. Mô phỏng và đánh giá kết quả của hệ thống
- Kiểm tra cho đúng và chạy mô phỏng đề đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống đếm
sản phẩm tự động (từ 00 đến 99) như sau:
+ Tại mức điện áp cao (mức logic 1) của tín hiệu vào (giả lập cho đầu ra của khối cảm
biến) tương ứng trường hợp khơng có sản phẩm đi qua cảm biến: hệ thống điều khiển và
hiển thị số đếm giữ nguyên trạng thái (số đếm) hiện tại.
+ Ngược lại, tại mức điện áp thấp (mức logic 0) của tín hiệu vào tương ứng trường hợp
có sản phẩm đi qua cảm biến: hệ thống đếm sẽ tăng giá trị số đếm thập phân lên | don vi.
+ Quá trình này được lặp lại tuần tự theo tín hiệu đếm (xung đếm) tại đầu ra của khối
ll


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

cảm biến sản phẩm và khối tạo xung đếm. Khi số đếm của hệ thống đạt giá trị tối đa là 99,
hệ thống sẽ khởi động lại chu trình đếm bắt đầu từ số 00.
- Trường hợp hệ thông không hoạt đúng theo yêu cầu của chủ đề thiết kế:

+ Kiểm tra cho đúng các giá trị và mã linh kiện cũng như các IC chức năng.
+ Kiểm tra cho đúng các kết nối (dây dẫn) theo mạch nguyên lý.
+ Kiểm tra các mức tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra đề sửa lỗi của mạch.

+ Tiếp tục thực hiện lại quá trình mơ phỏng và đánh giá kết quả của hệ thống.

12


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 7-8
THIET KE MACH PCB: MACH DA HAI DOI VA UNG DUNG/MACH
DEM SAN PHAM
1. Mục đích - Yêu cầu
- Giúp sinh viên vận dụng được kiến thức, kỹ năng đã học cho quá trình thiết kế mạch
ngun lý và mạch layout PCB thơng qua các công cụ hỗ trợ EDA (Proteus).
- Sinh viên đã nắm vững kiến thức, kỹ năng về thiết kế mạch nguyên lý và mạch layout

dựa trên các công cụ hỗ trợ EDA - Proteus (Học phần: Thực tập và thiết kế điện tử cơ bản)
2. Nội dung thực tập
2.1. Thiết kế mạch Layout
- Dựa trên sơ đồ mạch nguyên lý đã thực hiện trong “Buổi 5, 6°, thực hiện sơ đồ mạch

Layout cho hệ thống điều khiển động cơ/đèn báo khi có vật cản hoặc hệ thống đếm sản
phẩm tự động trên cơng cụ Proteus (sinh viên có thể thực hiện trước tại nhà):
+ Tạo mạch Layout (mạch in PCB) từ sơ đồ mạch nguyên lý.

+ Tra cứu và chọn Footprint phù hợp về sơ đồ chân và kích thước thực tế cho các linh
kiện trong mạch.

+ Thiết lập độ rộng từ 1,5 đến 2 mm cho các đường dây dẫn tín hiệu, từ 2 đến 3 mm
cho đường dây dẫn nguồn VCC và GND (có thể phủ mass cho đường nguồn).
+ Sắp xếp các linh kiện phù hợp để tối ưu kích thước và tăng tính thâm mỹ cho mạch
PCB, chạy mạch Layout tự động (Auto routing).
+ Thực hiện “lump" cho các đường mạch bị cắt, tạo nhãn cho các jump và đặt tên mạch
hoặc nhóm theo dinh dang ‘text’ trén board mach in PCB.
+ Tao ban in theo định dạng “pdf của mạch Layout và in ra giấy chuyên dụng.
- Thực hiện bo mạch PCB:

+ Làm sạch bo đồng (1 lớp), định vị bản in của mạch Layout (mạch PCB) lên bề mặt
bo đồng, áp nhiệt lên bản in trong khoảng thời gian 5-10 phút để đường mạch (mực) in
13


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

bám hoàn toàn trên bo đồng.
+ Loại bỏ bản in giây, đưa bo đồng vào dung dịch ăn mịn hóa học (FeCI3) trong khoảng
thời gian 15 - 30 phút. Quan sát và lây bo đồng ra khỏi dung dịch ăn mòn khi bo đã được
loại bỏ hồn tồn phần đồng khơng được bảo vệ bởi mực in.
2.2. Kiểm tra và đánh giá bo mạch PCB
- Kiểm tra sơ bộ về chất lượng các đường mạch đồng: phải đảm bảo tính dẫn điện tốt
(phần mạch đồng còn nguyên vẹn về độ dày và rộng).

- Sử dụng đồng hồ VOM thang đo Ohm đề kiểm tra và xử lý các vấn đề về hở mạch
của đường mạch và ngắn mạch giữa các đường mạch.

- Sử dụng dây dẫn đồng đẻ kết nối các cầu nói “Jump' trên bo mạch PCB.
- Sử dụng dung dịch chuyên dùng đề phủ một lớp mỏng bảo vệ cho bo mạch PCB.

Nếu bo mạch PCB không đảm bảo được điều kiện về chất lượng dẫn điện và an toàn
điện (Sau 2 bước kiểm tra và xử lý đầu tiên), yêu cầu sinh viên thực hiện lại từ bước “Thực
hiện bo mach PCB’ trong muc 2.1.

14


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Buổi 9-10
LAP RAP LINH KIEN VA HOAN THIEN SAN PHAM KHOA HỌC:
MACH DA HAI DOT VA UNG DUNG/MACH DEM SAN PHAM
1. Mục đích - Yêu cầu
- Giúp sinh viên củng cô kiến thức và nâng cao kỹ năng phân tích, thiết kế và hồn thiện
sản phẩm khoa học thơng qua đánh giá kết quả từ mô phỏng đến trực quan thực tiễn.
- Sinh viên đã nắm vững kiến thức chuyên môn về chủ đề thiết kế, kỹ năng cơ bản về

lắp ráp và đánh giá sản phẩm khoa học (Học phần: Thực tập và thiết kế điện tử cơ bản)
2. Nội dung thực tập

2.1. Lắp ráp và hoàn thiện thiết kế
- Tiến hành khoan xuyên tâm các chân (pin) của linh kiện và IC chức năng trên bo
mach PCB da hoàn thiện trong buổi 7-8.

- Đối chiếu mạch Layout đã thực hiện trên Proteus để lắp các linh kiện và IC chức
trên bo mạch PCB (yêu cau lap ráp đúng chủng loại và sơ đồ chân của các linh kiện).

- Đồng thời tiễn hành q trình hản các linh kiện có định trên bo mạch PCB.
- Kiểm tra kỹ càng về vị trí linh kiện và xử lý các điểm hàn đảm bảo các kết nói tốt.
2.2. Kiểm tra và đánh giá hoạt động của hệ thống

- Trước khi cấp nguồn cho hệ thống, kiểm tra và khắc phục các vấn đề như: ngăn mạch

đầu vào AC hoặc đầu ra (VCC, GND) của khối nguồn cung cấp, hở mạch đường nguồn
cung cấp cho các IC chức năng.

- Cấp nguồn AC (biên độ từ 9 — 12 V) cho khối nguồn của hệ thống, dùng đồng hồ
'VOM thang đo điện áp DC để hiệu chỉnh ngưỡng điện áp tham chiếu tại đầu vào của khối
so sánh hoặc khối tạo xung đếm (Ung = 2 -2,5 V).
- Tiến hành dùng vật cản di chuyên qua lại tại vị trí giữa của bộ thu phát hồng ngoại,

đồng thời quan sát trạng thái hoạt động tại đầu ra của hệ thống đúng với kết quả mô phỏng
đã thực hiện trong buồi 5 - 6.

độ


Thực tập thiết kế điện tử ứng dụng

Nếu hệ thống không hoạt động đúng theo thiết kế: tiền hành kiểm tra và đối chiếu mức
tín hiệu tại đầu vào và ra của các khối tương ứng giữa bo mạch PCB và mạch mơ phỏng,
từ đó đưa ra nhận định và khoanh vùng xảy ra lỗi để xử lý và hoàn thiện thiết kế.
Một số lỗi thường gặp trong thiết kế mạch PCB:
- Lắp ráp không đúng hoặc sai chân linh kiện tại khối nguồn: hệ thống khơng có nguồn
cung cấp.
- Hở mạch từ nguồn cung cấp đến các một trong các IC chức năng: hệ thống không hoạt
động hoặc hoạt động không đúng.

- Lắp các linh kiện không đúng hoặc sai cực tại khối cảm biến: hệ thống không thay đổi
trạng thái hoạt động vì thiếu tín hiệu kích thích (tín hiệu điều khiển).

- Lắp sai chủng loại hoặc sai sơ đồ chân các transitor hoặc diode: phần chỉ thị, điều
khiển công suất không hoạt động đề cung cấp công xuất cho khối mạch tải hoặc hiển thị.

16